蘭州化物所海水淡化光熱界面蒸發研究取得進展

　　水資源短缺引發越來越多的關注，亟需尋找經濟和可持續的方法凈化海水。太陽能驅動的界面水蒸發利用太陽能界面集熱的方式實現海水淡化，是最有希望獲得高質量淡水的方法之一。為實現高效的蒸發速率和光熱轉化效率，大量研究工作側重于太陽能蒸發器的結構設計和材料的選擇上，尤其是對寬光譜吸收率光熱轉換材料的選擇。過去，大部分光熱轉化材料均是圍繞等離激元材料、碳材料和半導體材料進行。過渡金屬氮化物成本低，可作為一種可替代Au、Ag等離激元材料的金屬導電陶瓷材料。開展超高溫陶瓷作為等離激元材料的光驅動界面水蒸發應用具有重要意義。

　　中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料研究室低碳能源材料組副研究員高祥虎、研究員劉剛團隊，致力于超高溫陶瓷碳化物和硼化物在界面蒸發領域的應用研究。研究制備出ZrC光熱轉化薄膜并將其組裝于2D水通道蒸發結構中，制作了具有95%太陽光吸收能力的界面蒸發裝置。蒸發實驗表明，該裝置的水蒸發率可達1.43 kg·m-2·h-1，光熱轉化效率為98%，這高于之前報道的Au、Ag和過渡金屬氮化物的蒸發性能，證明了超高溫陶瓷碳化物具有優良的等離激元應用前景（Chemical Engineering Journal）。基于上述實驗結果，研究選用ZrB2作為吸光材料，將其與3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）混合刷涂于硅酸鋁陶瓷纖維板表面，制備出具有優異光吸收能力（α=95%）的耐鹽污界面蒸發裝置。該裝置的水蒸發率高達2.07 kg·m-2·h-1。研究發現，硅酸鋁陶瓷纖維板內部的微觀結構可與水結合生成過渡水，水狀態的改變降低了水蒸發所需的能量，從而獲得了超出理論極限值的蒸發效率。此外，孔陣列排布可改善裝置的耐鹽污能力，使其可長期、高效、穩定應用于海水蒸發（Chemical Engineering Journal）。

　　上述工作開發出兼具優良光吸收性能和海水淡化能力的界面蒸發裝置，拓展了高效光熱界面蒸發材料的選擇。研究工作得到中科院青年創新促進會、中科院科技服務網絡計劃區域重點項目和甘肅省科技重大專項的支持。